(57)【要約】【課題】  鍛造およびプレス加工といった金属の塑性加工に使用される金型において、耐カジリ性、耐摩耗性を格段に向上した塑性加工用被覆金型を提供する。【解決手段】  金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆した塑性加工用被覆金型である。  そして、ターゲットを用いたスパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を５ｋＷ以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−１００Ｖ以上の負側に大きくする塑性加工用被覆金型の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆したことを特徴とする塑性加工用被覆金型。
【請求項２】
硬質皮膜は、厚さが３〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項３】
硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項４】
硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、ｘ値が増加するとともにｙ値が減少する傾斜組成構造を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項５】
硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項６】
硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｘ１、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項７】
硬質皮膜は、最下層と中間層と最上層の厚さの比が、それぞれ０〜１０％、５０〜９０％、１０〜５０％であることを特徴とする請求項５または６に記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項８】
硬質皮膜は、中間層が、厚さ０．００１〜０．１μｍの最下層の成分と厚さ０．００１〜０．１μｍの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる厚さ１μｍ以上の層であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項９】
硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項１０】
硬質皮膜の直上に、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の炭素皮膜を被覆したことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項１１】
硬質皮膜の直上にある炭素皮膜は、炭化タングステンを含むことを特徴とする請求項１０に記載の塑性加工用被覆金型。
【請求項１２】
ターゲットを用いたスパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を５ｋＷ以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−１００Ｖ以上の負側に大きくすることを特徴とする塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１３】
窒素雰囲気中でＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
（１）Ｃｒターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にＣｒの窒化物である最下層を被覆し、
（２）ＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに、それぞれ５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にＡｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層を被覆し、
（３）ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にＡｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層を被覆する
ことを特徴とする請求項１２に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１４】
窒素雰囲気中でＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
（１）Ｃｒターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にＣｒの窒化物である最下層を被覆し、
（２）ＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに、それぞれ５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にＡｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層を被覆し、
（３）ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にＡｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｘ１、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層を被覆する
ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１５】
硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含むことを特徴とする請求項１２に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１６】
硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含み、ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットがＷおよび／またはＮｂを含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１７】
硬質皮膜を被覆した後には、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれかに記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【請求項１８】
硬質皮膜の直上にある炭素皮膜は、炭化タングステンを含むことを特徴とする請求項１７に記載の塑性加工用被覆金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鍛造、プレス加工等に使用される耐摩耗性が必要とされる塑性加工用金型およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鍛造、プレス加工といった塑性加工には、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼といった工具鋼に代表される鋼や、超硬合金等の金属を母材とする金型が用いられてきた。上記加工方法は、室温付近で加工を行う冷間加工と、被加工材が４００℃以上に加熱される温間加工や熱間加工（以下、温熱間加工とも記す）に分類され、何れの金型も作業面には耐摩耗性が要求される。
【０００３】
近年、被加工材の高強度化、製品の高精度化、潤滑剤フリー、ならびに成形サイクルの高速化により、金型表面への負荷が増大していることから、その作業面にはＴｉＣやＴｉＮといった硬質材料を化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法とも記す）によって作業面に被覆した「被覆金型」が急速に増加してきた。しかしながら、金型への要求特性は作業面の耐摩耗性のみに留まらず、金型自体の高精度化も要求されるようになったため、被覆温度が１０００℃以上のＣＶＤ法では上記の被覆時に金型の変形が大きくなる。そして特に、工具鋼に代表される鋼系型材の場合では、被覆後に行う焼入れ焼戻しといった熱処理で発生する熱処理歪みが問題となり、ＣＶＤ法では要求を十分に満たすことが困難となった。
【０００４】
このような背景から、最近では、上記の被覆作業を型材の焼戻し温度以下で行える物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法とも記す）の適用が増加している。例えば、冷間加工用金型においては、特定成分範囲の金型母材の表面に窒化処理を施した後に、ＰＶＤ法にてＴｉＮの被覆層を適用する手法が提案されている（特許文献１）。また、熱間加工用金型においては、ＰＶＤ法の前処理を規定し、窒化処理後にＣｒＮもしくはＴｉＡｌＮを被覆する手法が提案されている（特許文献２，３）。
【０００５】
さらには、１０００℃以上でも高い耐久性を示す硬質皮膜として、ＡｌＣｒの窒化物やＡｌＣｒＳｉの窒化物をイオンプレーティング法で形成する手法が提案されている（特許文献４、５）。そして、低摩擦係数の硬質皮膜として、表面がアモルファスカーボンを含有するＡｌＣｒの窒化物をスパッタリング法で形成する手法（特許文献６）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−０３１０６６号公報
【特許文献２】特開平１１−０９２９０９号公報
【特許文献３】特開２００３−２４５７３８号公報
【特許文献４】特開平１０−０２５５６６号公報
【特許文献５】特開２００３−３２１７６４号公報
【特許文献６】特開２０００−１４４３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、鍛造およびプレス金型の使用環境は年々過酷化し、成形時の面圧は高くなっていることから、特許文献１〜６に提案されている皮膜の機能では、様々な要求を十分に満たすことができなくなった。
【０００８】
そこで本発明は、冷間ならびに温熱間における鍛造およびプレス加工といった金属の塑性加工に使用され、耐カジリ性や耐摩耗性が必要される金型において、上記の問題を解消した塑性加工用被覆金型およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記の塑性加工に使用される金型の耐久性を向上させる手段について鋭意研究した。その結果、金型の作業面に被覆した皮膜は、その高い硬度と耐熱性を有すると同時に、表面が極めて平滑な状態であることが特に有効であることを突き止めた。そこで、上記の要件を満たした具体的な皮膜構成を明確にしたことで、この皮膜を被覆した塑性加工用金型は耐カジリ性や耐摩耗性が向上し、耐久性が格段に向上することから、本発明に至った。
【００１０】
すなわち本発明は、金型基材の表面に、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなり、かつＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の硬質皮膜を被覆したことを特徴とする塑性加工用被覆金型である。好ましくは、該硬質皮膜は、厚さが３〜２０μｍである。
【００１１】
また、該硬質皮膜は、以下要件のいずれか１つ以上を満たすことが好ましい。
［要件１］  金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していること。
［要件２］  金型基材から該皮膜の表面に向かって、ｘ値が増加するとともにｙ値が減少する傾斜組成構造を有していること。
［要件３］  金型基材から該皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していること。
［要件４］  金型基材から該皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｘ１、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していること。
【００１２】
ここで要件３および／または４のとき、上記の最下層と中間層と最上層の厚さの比はそれぞれ０〜１０％、５０〜９０％、１０〜５０％であることがより好ましい。あるいはさらに、中間層は、厚さ０．００１〜０．１μｍの最下層の成分と厚さ０．００１〜０．１μｍの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる厚さ１μｍ以上の層であることがより好ましい。
【００１３】
また、硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含むことが好ましい。あるいはさらに、該硬質皮膜の直上には、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の炭素皮膜を被覆することが好ましく、該炭素皮膜は炭化タングステンを含むことがより好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の塑性加工用被覆金型の製造方法は、ターゲットを用いたスパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を５ｋＷ以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−１００Ｖ以上の負側に大きくすることを特徴とする。
【００１５】
そして、本発明の塑性加工用被覆金型の好ましい製造方法は、窒素雰囲気中でＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
（１）Ｃｒターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にＣｒの窒化物である最下層を被覆し、
（２）ＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに、それぞれ５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にＡｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層を被覆し、
（３）ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にＡｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層を被覆することを特徴とする。
【００１６】
あるいはさらに、窒素雰囲気中でＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、金型基材の表面にＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する方法であって、
（１）Ｃｒターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にＣｒの窒化物である最下層を被覆し、
（２）ＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに、それぞれ５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にＡｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層を被覆し、
（３）ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にＡｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｘ１、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層を被覆することを特徴とする。
【００１７】
上記の製造方法においては、硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含むことができる。そして、この場合においては、中間層および最上層の被覆に用いるＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットはＷおよび／またはＮｂを含むことができる。
【００１８】
また、上記の製造方法においては、該硬質皮膜を被覆した後には、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。そして、この炭素皮膜は、ＷＣを含むことが、より好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
従来のＰＶＤ法によるＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮに代表される窒化物膜、およびこれらの積層膜が被覆された金型では、近年における使用環境の過酷化に対し、十分な寿命が得られなくなってきた。本発明では、高い硬度と耐熱性を有する皮膜種を適用して、これが同時には極めて平滑な状態でかつ、金型の損傷形態に対し最適な構造を有して被覆されていることから、金型作業面の耐カジリ性、耐摩耗性を大幅に改善できる。よって、塑性加工用金型の耐久性が格段に向上することから、実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明例１の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図２】従来例９の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図３】従来例１０の皮膜表面の走査型電子顕微鏡写真であり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図４】本発明例１の表面粗さプロファイルであり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図５】本発明例２の表面粗さプロファイルであり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図６】従来例９の表面粗さプロファイルであり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図７】従来例１０の表面プロファイルであり、従来の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【図８】本発明例３の皮膜組成であり、本発明の塑性加工用被覆金型の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の特徴は、高硬度かつ優れた耐熱性を同時に達成し得る皮膜種を選定して、それを塑性加工用金型の表面に、極めて平滑に、しかも金型の損傷形態に対し最適な構造にて被覆したことで、耐久性に優れた同金型を達成できたところにある。以下、上記の皮膜が被覆された本発明の塑性加工用被覆金型について、その構成要件毎に説明していく。
【００２２】
［Ａ］  金型基材の表面には、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）からなる硬質皮膜を被覆する。
本発明に適用する硬質皮膜の成分構成は、もとより高い硬度と優れた耐熱性を備え得るＡｌＣｒＳｉＮを基本とする。具体的には、その皮膜の全体に亘っては、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ≠０）の組成式で表される皮膜である。そして好ましくは、ｘ＞５０、ｚ＞１、ｙ＜５０である。なお、上記では窒化物としているが、窒化物を主体とし、炭素、酸素、硼素、硫黄等が窒素に対して２０原子％以内で存在しても、同様に本発明の特徴は発揮されるものである。
【００２３】
上記の基本成分構成においては、ＡｌＣｒＮも高硬度かつ耐熱性に優れた硬質皮膜である。しかし、塑性加工用被覆金型の損傷形態は、その硬質皮膜の粒子が脱落することによる損耗であることから、この防止にはＳｉを添加することが特に有効である。つまり、ＡｌＣｒＮにＳｉを添加することで、皮膜中の結晶粒径は格段に微細化され、しかもＡｌＣｒＮが柱状破断面組織であることに対して、それが粒状破断面組織へと移行する。その結果、皮膜組織の微細化および粒状化がされたＡｌＣｒＳｉＮは、上記の脱落の単位がＡｌＣｒＮよりも小さく、脱落面積が小さくなることから、耐久性が改善される。
【００２４】
［Ｂ］  硬質皮膜は、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下である。
塑性加工用被覆金型では、その作業面に硬質皮膜を単純に被覆したところで、皮膜の表面が粗いと、該凹凸が損傷の起点となって、耐カジリ性、耐摩耗性の大幅な改善には至らない。そこで、本発明用途の金型にとってこそは、その作業面に被覆した硬質皮膜の表面を、Ｒａで０．０６μｍ以下に、そしてＲｚで１．０μｍ以下に制御するものである。この表面粗さを満たした本発明の被覆金型は、上記の皮膜成分との相乗効果によって、過酷化する鍛造およびプレス金型等の耐久性を格段に向上させる。
【００２５】
ここで、一般的にアークイオンプレーティング法により得られる皮膜中には、その成膜時に不可避的に混入する数ミクロン程度のドロップレット（溶融粒子）が存在する。そして、このドロップレットは、皮膜表面を粗くする要因となることから、耐摩耗性等の向上に悪影響を及ぼす。また、ドロップレットは金属粒子であるため、皮膜組成本来の特性が発動できず、これもカジリの起点となり得る。よって、本発明の平滑な表面粗さを達成するにおいては、このドロップレットへの対策を十分に行っておくことが重要となる。
【００２６】
例えば、特許文献４、５のようなアークイオンプレーティング法を実際の金型製作に適用すれば、その被覆後の皮膜表面はドロップレットによる凸部が多い、つまり表面粗さ値の大きい、耐カジリ性、耐摩耗性の不足したものとなる。したがって、皮膜の平滑化のためには、エメリー紙やダイヤモンド粒子を含有した研磨材によりそれらを研磨除去することとなるが、ドロップレットは粒子状であることから研磨時に脱落し易い。よって、凸部が除去された研磨後の皮膜表面も、見かけ上は平滑であるが（Ｒａ値は小さいが）、実は凸部の除去と同時に凹部が形成された、Ｒｚ値は大きいものであり、この凹部を起点としたカジリを誘発する欠点を残す。
【００２７】
一方、特許文献６のようなスパッタリング法によって得られる皮膜は、ドロップレットを含み難いため、比較的平滑な皮膜表面を得やすい。しかしながら、その達成される平滑度は、まだ不十分であり、本発明程の表面粗さ値を達成するまでには至らなかった。そして、イオンプレーティング法に比べて、基材との密着強度が大幅に劣るところに欠点を有しているので、殊、過酷な使用環境下にある塑性加工用金型の適用となると、その実用化には至っていないのが現状であった。そこで、この成立の困難であった皮膜表面が平滑な塑性加工用被覆金型の開発においては、本発明では、スパッタリング法にある上記の欠点を解決し、後述する製造方法をも確立したことで、その達成に至った。
【００２８】
よって、硬質皮膜の表面粗さは、皮膜表面に存在する（あるいは存在していた）ドロップレットによっても大きく左右される。そこで、本発明においては、ＪＩＳ規格に従って規定した上記の表面粗さ値に、ドロプレット（凸部）またはドロップレットが脱落した痕跡（凹部）の面積率の管理も合わせることが有効である。すなわち、本発明の塑性加工用被覆金型は、その硬質皮膜の表面から任意に選択される面積１００μｍ２の部位を例えば走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭとも記す）により観察したときに、ドロプレットからなる凸部またはドロップレットが脱落した凹部の面積率が合計で５％以下であることが好ましい。該面積率は１％以下であることがより好ましい。
【００２９】
なお、ドロップレット自体は、粒子状、かつ金属粒子であるが、最大径が概ね０．５μｍ以上のもので特定してよい。あるいは、皮膜表面に確認されるマクロパーティクル部を組成分析しても、それがドロップレットであるのかどうかは、健全な硬質皮膜の部分と容易に区別できる。そして、ドロップレットの痕跡については、皮膜表面に確認される凹部のうち、その深さが基準面（ドロップレットを含むマクロパーティクルの確認されない健全な平滑場所）に対して０．３μｍ以上のもので特定すればよい。
【００３０】
一方、皮膜表面に存在するドロップレットは、研磨等により、たとえその全てを除去できたとしても、今度はその痕跡が残留し得ることは、述べた通りである。よって、本発明にかかる硬質皮膜の表面は、ドロップレットの痕跡だけであっても、そのような凹部も低減すべきである。すなわち、本発明の塑性加工用被覆金型は、その硬質皮膜の表面から任意に選択される長さ２ｍｍの線部位を接触式面粗さ測定したときに、上記で定義される凹部の密度が２個／ｍｍ未満であることが好ましい。該密度は１個／ｍｍ未満であることがより好ましい。なお、面粗さ測定は、３回測定した平均値とするとよい。
【００３１】
［Ｃ］  硬質皮膜は、厚さが３〜２０μｍであることが好ましい。
平滑な表面粗さ値を有する本発明の硬質皮膜にとっては、その皮膜全体の厚さも薄い方が、Ｒａ、Ｒｚ値を低く制御するのに有利である。しかし、該厚さが３μｍ未満では、耐摩耗性が低下する傾向にある。一方、膜厚が大きくなると、金型使用時の成形中衝撃で硬質皮膜が破壊または剥離する傾向にある。よって、本発明の上記膜厚は３〜２０μｍであることが好ましい。そして、硬質皮膜の破壊または剥離、基材との密着強度、表面の平滑性に加えては、金型自体の耐久性をも考慮すれば、これらを総じて、６〜２０μｍがより好ましく、８〜１６μｍがさらに好ましい。
【００３２】
なお、本発明の硬質皮膜は、スパッタリング法で成膜すれば、その皮膜内の残留圧縮応力は０〜２ＧＰａ程度であり、アークイオンプレーティング法に比べ、半分以下と低い値を示すので、剥離の抑制に有効である。また、ＰＶＤ法による成膜では、その膜厚を増加させる場合、放電時間を長くすることになるが、アークイオンプレーティング法だと、上記の通り、その硬質皮膜内に残留するドロップレットが増加して、表面粗さ値が急激に大きくなる。しかし、スパッタリング法であれば、そのスパッタ放電時間が長くなっても表面粗さ値が大幅に上がることがない。よって、後述する本発明の製造方法も含め、スパッタリング法によって成膜することで、上記の膜厚は６μｍ以上であっても、十分に剥離の抑制された硬質皮膜を達成でき、耐摩耗性と平滑性を両立した塑性加工用被覆金型が得られる。
【００３３】
［Ｄ］  硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、立方晶が六方晶に移行する複合結晶構造を有していることが好ましい。
本発明では、そのＡｌＣｒＳｉＮの成分構成からなる硬質皮膜の結晶構造が、該皮膜の表面に向かって立方晶から六方晶に移行する「複合結晶構造」を有している。つまり、本発明の硬質皮膜は、その成分構成の面においては、Ｓｉの添加により結晶構造を粒状破断面組織へ移行させ、皮膜粒子の耐脱落性を向上させていることは、前記の通りである。しかし、その一方では、金型基材との密着性の向上を考えれば、その皮膜中の少なくとも基材近傍部分は、柱状破断面組織であることが望ましい。よって、皮膜の全体に亘ってはＡｌＣｒＳｉＮの成分構成であるとしても、その一部では各元素のバランスを調整することで、金型基材側の結晶構造は立方晶に制御することで、柱状破断面組織を示した複合結晶構造とすれば、基材との密着強度が高く、同時に高硬度の耐摩耗性に優れた硬質皮膜とできる。
【００３４】
そして、硬質皮膜のそれこそ作業面においては、やはり各元素のバランスを調整することで、結晶構造を六方晶に制御しておけば、六方晶のＡｌＣｒＳｉＮ膜は結晶粒子が微細な粒状破断面組織を示すことから、深さ方向に進行する粒子脱落型の摩耗に対して有効である。本発明の硬質皮膜を以上の複合結晶構造とすることによって、耐摩耗効果と耐脱落摩耗効果が同時に発現され、塑性加工用被覆金型の耐久性が向上する。
【００３５】
上記の通り、本発明のＡｌＣｒＳｉＮ皮膜の複合結晶構造の制御は、そのＡｌｘＣｒｙＳｉｚの組成式における原子比ｘ、ｙ、ｚ値により制御する。具体的には、立方晶のＡｌＣｒＳｉＮ皮膜は、その高硬度化による耐摩耗性の付与も勘定すれば、５０＜ｘ＜５５、４５＜ｙ＜５０、０．１＜ｚ＜１の、Ｃｒに対しては若干Ａｌの多い原子比とすることが好ましい。そして、スパッタリング法による成膜を行うとなれば、その際の成膜条件のうちの特に金型基材に印可するバイアス電圧は、−１００〜−３００Ｖの範囲に制御することが望ましい。なお、金型基材に接触する皮膜部位については、密着性を最優先に考慮すれば、ｘ＜ｙのＡｌＣｒＳｉＮや、それこそ最下部位は立方晶のＣｒＮ（ｙ＝１００）でもよい。
【００３６】
そして、六方晶のＡｌＣｒＳｉＮ皮膜は、５５＜ｘ＜９０、１＜ｚ＜２０、１０＜ｙ＜４５の、Ｃｒに対してはＡｌが主体を占める原子比とすることが好ましい。そして、スパッタリング法による成膜の際には、特に上記のバイアス電圧を−３０〜−１００Ｖの範囲に制御することが望ましい。
【００３７】
［Ｅ］  硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、上記のｘ値が増加するとともにｙ値が減少する傾斜組成構造を有していることが好ましい。
これについては、［Ｄ］で述べた通りである。そして、ｘの値が増加、ｙの値が減少する「傾斜組成構造」とすることで、皮膜表面（被加工材との接触面）に向かって結晶構造が傾斜的に変化していくところ、その変化のコントラストを緩くし（明確な境界なく連続的に変化させ）、層間の密着強度が向上するため、好ましい。
【００３８】
［Ｆ］  硬質皮膜は、金型基材から該皮膜の表面に向かって、Ｃｒの窒化物からなる最下層、Ａｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層、Ａｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層の多層構造を有していることが好ましい。
前記［Ｄ］で述べた事項をも参酌すれば、本発明の硬質皮膜は、基材との密着強度、耐摩耗性、耐脱落摩耗性を確保するために、金型基材から該皮膜の表面に向かって、ＣｒＮの最下層、Ｃｒに対してはＡｌの少ないＡｌＣｒＳｉＮの中間層、そしてＡｌが主体となるＡｌＣｒＳｉＮの最上層からなる「多層構造」とすることも有効である。但し、中間層においては、そのＣｒに対するＡｌ原子数が最上層のそれよりも少ないのであれば（つまり、ｘ２＞ｘ１）、ｘ１とｙ１の大小関係は問わず、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０のＡｌＣｒＳｉＮに変更してもよい。
【００３９】
なお、［Ｆ］の硬質皮膜においては、最下層と中間層と最上層の厚さの比が、それぞれ０〜１０％、５０〜９０％、１０〜５０％であることが好ましい。ＣｒＮの最下層を省略しても、基材との密着強度を確保することは可能である。しかしながら、より苛酷な使用環境化では、この最下層を用いることにより、密着強度が改善される。そして、最下層を成膜する場合、その硬質皮膜全体に占める厚さ比は１０％以下とすることが好ましい。最下層の機能は、基材との密着強化が主であることもあって、硬度は低く、１０％を越えて厚くすると耐摩耗性が低下する傾向となる。好ましい厚さ比は５％以下である。
【００４０】
これに対して、最下層と最上層の混合組成からなる中間層は、基材との密着強化の一方では、耐摩耗性を発揮する層でもあるため、その硬質皮膜全体に占める厚さ比は５０〜９０％であることが好ましい。そして、Ａｌが主体となる最上層は、その耐摩耗性は中間層よりも劣るが、上記の通りの破断面組織が粒状を呈していることから、耐カジリ性に優れかつ、付着物の脱落による損傷を低減する作用を有する。この作用効果のためには、硬質皮膜全体に占める厚さ比を１０〜５０％とすることが好ましい。
【００４１】
また、［Ｆ］の硬質皮膜においては、中間層が、厚さ０．００１〜０．１μｍの最下層の成分と厚さ０．００１〜０．１μｍの最上層の成分が交互に積み重なって被覆されてなる、厚さ１μｍ以上の層であることが好ましい。つまり、中間層においては、その全体からの見かけ上は最下層と最上層の混合組成であるものの、実は最下層と最上層が超微細に積み重なった構造とすることで、優れた耐摩耗効果に合わせては、使用中の金型基材の変形にも追従し得る変形能の高い、高硬度かつ高靭性の硬質皮膜とできる。そして、中間層を微細に構成する最下層および最上層の各厚さについては、それぞれが０．１μｍを超えると両微細層間の密着強度が低下して、硬度と靭性が逆に低下する傾向となる。なお、それぞれを０．００１μｍ未満に制御することは、製造上困難である。
【００４２】
［Ｇ］  以上の硬質皮膜は、ＡｌｘＣｒｙＳｉｚ（Ｗおよび／またはＮｂ）αの窒化物（但し、ｘ、ｙ、ｚ、αは原子比を示し、ｘ＋ｙ＋ｚ＋α＝１００、かつｘ、ｙ、ｚ、α≠０）で示されるＮｂとＷのうちの１種以上を、α≦０．１×ｘの関係を満たして含むことが好ましい。
これによって、本発明の硬質皮膜は、結晶粒径が微細化されて高硬度化し、同時には耐熱性も向上する。但し、ＮｂとＷの添加量は、その合計で、上記のｘに対し１０％以下の原子比にとどめることが、硬質皮膜の高硬度化において重要である。
【００４３】
［Ｈ］  以上の硬質皮膜の直上には、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）による表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０６μｍ以下、最大高さＲｚが１．０μｍ以下の炭素皮膜を被覆したことが好ましい。
本発明の硬質皮膜は、優れた耐摩耗性を発揮するものの、金型の初期なじみ性を向上させるためには、その直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。つまり、硬質皮膜の初期チッピングの抑制に有効であることから、本発明の硬質皮膜自体の特性が発揮され易くなり、その結果、金型の耐久性が向上する。ここで、炭素皮膜の表面は極めて平滑であることから、望ましくは０．１〜２ミクロン程度の層厚で被覆することにより、平滑に制御された硬質皮膜自体の表面粗さ（Ｒａで０．０６μｍ以下、Ｒｚで１．０μｍ以下）を害することがない。
【００４４】
本発明の炭素皮膜は、例えば後述の、グラファイトを含むターゲットを用い、スパッタリング法で被覆する、所謂ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣとも記す）のような比較的軟質で変形能の高い構造がよい。また、炭素皮膜の耐熱性を向上させるため、ＷＣ結合を有する炭化タングステン（以下、ＷＣと表記）を含む炭素皮膜とすることが好ましい。
【００４５】
以上、本発明の塑性加工用被覆金型について説明した。本発明の該金型は、その基材となる金属材質について特段に定めるものではない。そして、例えば上記の通りの、冷間ダイス鋼、熱間ダイス鋼、高速度鋼および超硬合金等が使用できる。これについては、ＪＩＳ等による規格金属種（鋼種）を含め、従来金型への使用が可能な鋼種として提案のされてきた改良金属種も適用できる。
【００４６】
その他、必要に応じては、被覆前の基材表面には金属層を被覆してもよい。また、硬質皮膜においては、その上には更に極薄い機能層を被覆してもよい。そして、硬質皮膜を形成する窒化物中の窒素に対しては、酸素、硼素、硫黄、炭素等を、その合計で２０％以下、好ましくは１０％以下の原子比の範囲で添加しても、本発明の効果は発揮される。
【００４７】
次に、本発明の塑性加工用被覆金型の製造方法について述べる。本発明の同金型を達成する上では、その被覆に用いるＰＶＤ法には、平滑な皮膜表面が得られ易いスパッタリング法の適用が有利であることは、上述の通りである。しかし一方では、基材との密着強度が弱いところに欠点があったことも述べた通りである。そこで、本発明では、この密着強度を大幅に改善し得るスパッタリング法をも確立したことで、上述の塑性加工用被覆金型の製造方法を達成した。
【００４８】
従来、公知のアークイオンプレーティング法で皮膜を被覆した場合、その被覆ままの状態での表面粗さ値は、Ｒａ値で小さくても０．１μｍ程度、Ｒｚ値に至っては２．０μｍを超える粗いものであった。そして、被覆後には研磨することで、Ｒａ値こそ０．１μｍ以下にできたとしても、ドロップレットの脱落による凹部が形成されることで、Ｒｚ値を１．０μｍ以下にすることは事実上困難である。
【００４９】
一方、スパッタリング法は、例えば特許文献６には被覆後のＡｌＣｒＮ皮膜のＲａ値が０．０２μｍであると記載されている通り、表面の平滑な皮膜を得るには有利な手法であるが、さらに平滑な表面となると改善の余地があり、何よりも基材との密着性に劣ることは上述の通りである。そこで、本発明は、特許文献６に比しても、遥かに高いスパッタエネルギーを投入した成膜条件を設定することで、硬質皮膜と基材の密着強度を高めることに成功した。以下、製造方法について、その構成要件毎に説明していく。
【００５０】
［Ｉ］  ターゲットを用いたスパッタリング法において、該ターゲットに投入されるスパッタ電力を５ｋＷ以上、金型基材に印可するバイアス電圧を−１００Ｖ以上（マイナス側である）とする。
例えば、特許文献６に記載されるように、従来のＡｌＣｒ系の窒化物皮膜を被覆するときの、ターゲットに投入されるスパッタ電力は３００Ｗ程度である。これに対し、本発明のそれは５ｋＷ以上という高電力値に設定する。スパッタ電力が高いと、ＡｌＣｒＳｉＮ皮膜の粒子の成長方向が変わり、粒子形態が粒状または柱状へと変化するため、緻密な皮膜組織が得られる。また、スパッタ電力が低い場合、その成膜時のエネルギーは低いことから、粒子が縦方向に成長する傾向となり、得られる皮膜表面は個々の粒子の凹凸、すなわち針状の表面形態となる。そこで、本発明においては、上記のスパッタ電力を高値に設定することで、皮膜の基材との密着強度、さらには表面平滑度が格段に向上し、塑性加工用被覆金型に要求される諸特性を満足する。
【００５１】
さらに、本発明の製造方法においては、そのスパッタ中の金型基材に印加するバイアス電圧も重要である。すなわち、基材表面に被覆されたＡｌＣｒＳｉＮ皮膜は、負に印可したバイアス電圧によって、成膜と同時にスパッタガスイオンでボンバードされる。このとき、バイアス電圧が−１００Ｖ未満（−１００Ｖよりもプラス側である）では、ボンバード効果が弱く、上記に同様、ＡｌＣｒＳｉＮ皮膜の粒子は針状に成長する。そこで、本発明においては、このバイアス電圧を−１００Ｖ以上のマイナス側に大きくすることで、表面平滑度を向上させるものである。
【００５２】
そして特には、上記した［Ｆ］の硬質皮膜を被覆するにあたっては、窒素雰囲気中でＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、
（１）Ｃｒターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、金型基材の表面にＣｒの窒化物である最下層を被覆し、
（２）ＣｒターゲットおよびＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットにそれぞれ５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記最下層の上にＡｌｘ１Ｃｒｙ１Ｓｉｚ１の窒化物（但し、ｘ１≦ｙ１、かつｘ１、ｙ１、ｚ１≠０）からなる中間層を被覆し、
（３）ＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットに５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して、前記中間層の上にＡｌｘ２Ｃｒｙ２Ｓｉｚ２の窒化物（但し、ｘ２＞ｙ２、かつｘ２、ｙ２、ｚ２≠０）からなる最上層を被覆することが好ましい。
【００５３】
つまり、最下層であるＣｒの窒化物においては、５ｋＷ以上のスパッタ電力で被覆することによって、特に基材との密着性の改善および、その上に被覆される高硬度層の応力をも緩和でき、優れた機械的特性を発揮するために有効である。次に、５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して得られた中間層は、結晶性が高く、高硬度かつ高靭性であり、皮膜全体としての耐摩耗性を改善する。そして、５ｋＷ以上のスパッタ電力を投入して得られた最上層は、その結晶粒径が微細であり、上記した脱落摩耗の抑制に効果を発揮する。中間層においては、そのＣｒに対するＡｌ原子数が最上層のそれよりも少ないのであれば（つまり、ｘ２＞ｘ１）、ｘ１とｙ１の大小関係は問わず、ｘ１、ｙ１、ｚ１≠０のＡｌＣｒＳｉＮに変更してもよいことは、上記の［Ｆ］に同様である。
【００５４】
そして、本発明の硬質皮膜がＮｂとＷのうちの１種以上を含んでもよいことは、これも前記の通りである。よって、これに従っては、本発明の製造方法は、その中間層および最上層の被覆に用いるＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットがＷおよび／またはＮｂを含むことができる。
【００５５】
［Ｊ］  硬質皮膜を被覆した後に、炭素ターゲットを用いたスパッタリング法により、最上層の直上に炭素皮膜を被覆することが好ましい。
炭素皮膜は、上述した通りの、所謂ＤＬＣのような比較的軟質で変形能の高い構造がよい。そして、このような炭素皮膜をターゲットを用いたスパッタリング法で被覆する場合は、その炭素ターゲットに印可するスパッタ電力は４ｋＷ以上が好ましい。
【００５６】
また、耐熱性を向上させるためには、ＷＣを含む炭素皮膜とすることが好ましいことも上記の通りである。ＷＣを含む炭素皮膜は、例えばＷＣとグラファイトの複合ターゲットを用いたスパッタリング法により被覆することができる。このとき、複合ターゲットにおけるＷＣとグラファイトの比率は、グラファイト成分の方が多くなるように、そのターゲットを作成することが好ましい。より具体的には、ＷＣ：グラファイト＝１０〜４０：６０〜９０（但し、化学式ＷＣ：Ｃ原子による比率）である。
【実施例１】
【００５７】
＜評価用試料の作成＞
ここでは、塑性加工用被覆金型に要求される機械的特性（すなわち、表面粗さ、皮膜の硬度、密着性）を評価するための試料を作製した。基材にはＪＩＳに規定される高速度鋼ＳＫＨ５１を用意し、これを真空中１１８０℃の加熱保持から窒素ガス冷却により焼入れ後、５４０〜５８０℃での焼戻しにより６４ＨＲＣに調質したものを用いた。基材の寸法は、厚さ５ｍｍ、直径２０ｍｍの円筒状である。
【００５８】
次に、上記の円筒状基材の表面を♯１０００、♯１５００の研摩紙により磨いた後、エアロラップ機により平滑化して、表面粗さをＲａで０．０５μｍ、Ｒｚで０．５μｍに整えた。そして、炭化水素系の溶剤中で超音波洗浄し、脱脂したものにつき、以下の表面処理を施して、本発明例および従来例となる評価用試料を作製した。
【００５９】
［本発明例１］
成膜手段には、基材にバイアス電圧を印加するスパッタリング法を採用し、最下層、中間層、最上層、炭素皮膜を同一チャンバー内で連続して成膜した。成膜装置については、まずスパッタ電源とバイアス電源には直流電源を用いた。そして、独立したアノードを設けて電子の移動距離を長くし、プラズマを活性化する工夫を施して、通常のスパッタリング装置よりもイオン化率を高める手段を採用している。これにより、皮膜の結晶性が向上して、高硬度化することができる。
【００６０】
真空排気は、ターボ分子ポンプとロータリーポンプにて行う。同装置内には、スパッタリング蒸発源を４基搭載する。そして、カソード１：Ｃｒターゲット、カソード２：ＷＣ７０Ｃ３０ターゲット（化学式ＷＣ：Ｃ原子による比率）、カソード３および４：Ａｌ６０Ｃｒ３７Ｓｉ３ターゲット（原子比）設置した。導入ガスは、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ２を用い、ガス供給ポートから導入する。
【００６１】
バイアス電源は、基材に接続され、独立して基材に負のバイアス電圧を印加する。基材は、毎分２回転で自転しかつ、固定冶具とサンプルホルダーを介して公転する。基材とターゲット表面間の距離は５０ｍｍとした。
【００６２】
成膜条件については、まず成膜装置内のヒーターにより基材温度が５００℃になった状態で９０分間の加熱を行い、真空容器（チャンバー）内の圧力が４×１０−３Ｐａに達した後、Ａｒガスを真空容器内に導入した。そして、基材に−６５０Ｖのパルスバイアス電圧を印加し、Ａｒイオンによる基材のクリーニングを１５分間実施した。その後、基材に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加した。このとき、独立したアノードとカソード間に１５００Ｗの電力を供給して、Ａｒのプラズマ密度を高め、Ａｒイオンによる基材のクリーニングを３０分間実施した。
【００６３】
次に、容器内の圧力を１×１０−３Ｐａに真空排気して、基材の温度を４５０℃の一定とし、一定流量のＡｒガス５００ｍｌのもとで、容器内の圧力が５８０ｍＰａになるようにＮ２ガスを導入した。そして、基材のクリーニング時と同様に、バイアス電圧を−１２０Ｖ、アノード電圧を−１１０Ｖに設定し、カソード１（Ｃｒターゲット）に５ｋＷのスパッタ電力を供給して、１０分間保持し、厚さ約０．５μｍのＣｒＮ最下層を被覆した。
【００６４】
続いて、カソード１へは電力を供給した状態で、カソード３、４（Ａｌ６０Ｃｒ３７Ｓｉ３ターゲット：数値は原子比）にそれぞれ５ｋＷのスパッタ電力を供給して、まず１０分間の被覆処理を行った。そして、１０分毎にカソード３、４に印可するスパッタ電力を１ｋＷづつ上昇させて、９ｋＷに達した後、６０分間保持し、厚さ約５μｍのＡｌＣｒＳｉＮ中間層を被覆した。
【００６５】
そして、カソード１への電力供給を中断することで、あとはカソード３、４のみで、厚さ約２μｍのＡｌＣｒＳｉＮ最上層を被覆した。そして最後には、カソード３、４への電力供給と、窒素の供給を停止し、Ａｒガスは５００ｍｌの一定流量を維持して、カソード２（ＷＣ７０Ｃ３０ターゲット）に４ｋＷの電力を供給し、厚さ約１μｍのＷＣを含むＤＬＣ層を被覆した。この被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）を１５０℃以下に冷却後、容器内から取り出した。図１は、本発明例１の皮膜表面を示すＳＥＭ写真である。
【００６６】
［本発明例２］
以下に示す成膜条件以外は、本発明例１の試料作成方法と同一である。すなわち、クリーニング後の基材に対しては、カソード１は使用せずに、カソード３、４（Ａｌ６０Ｃｒ３７Ｓｉ３ターゲット）にそれぞれ５ｋＷのスパッタ電力を供給して、１０分間の被覆処理を行った。そして、１０分毎にカソード３、４に印可するスパッタ電力を１ｋＷづつ上昇させて、９ｋＷに達した後、６０分間保持し、中間層に相当する厚さ約５μｍのＡｌＣｒＳｉＮ層からなる皮膜を被覆した。この被覆試料（基体−ＡｌＣｒＳｉＮ単層）を、１５０℃以下に冷却後、容器内から取り出した。
【００６７】
［本発明例３］
本発明例１の試料作成方法に対しては、そのＡｌＣｒＳｉＮ最上層までを被覆した後には、ＤＬＣ層を被覆せずに、容器内から取り出した被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＳｉＮ最上層）である。
【００６８】
［本発明例４］
カソード３、４をＡｌ６０Ｃｒ３５Ｓｉ５ターゲット（原子比）に変更した以外は、本発明例１と同一の試料作成方法によった被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）である。
【００６９】
［本発明例５］
カソード３、４をＡｌ７５Ｃｒ１５Ｓｉ１０ターゲット（原子比）に変更した以外は、本発明例１と同一の試料作成方法によった被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）である。
【００７０】
［本発明例６］
カソード３、４をＡｌ６０Ｃｒ２５Ｎｂ１０Ｓｉ５ターゲット（原子比）に変更した以外は、本発明例１と同一の試料作成方法によった被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＮｂＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＮｂＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）である。
【００７１】
［本発明例７］
カソード３、４をＡｌ６０Ｃｒ２５Ｗ１０Ｓｉ５ターゲット（原子比）に変更した以外は、本発明例１と同一の試料作成方法によった被覆試料（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＷＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＷＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）である。
【００７２】
［本発明例８］
以下に示す成膜条件以外は、本発明例１の試料作成方法と同一である。すなわち、カソード３、４（Ａｌ６０Ｃｒ３７Ｓｉ３ターゲット）にそれぞれ５ｋＷのスパッタ電力を供給して１０分間の被覆処理を行った後には、５０分毎にカソード３、４に印可するスパッタ電力を１ｋＷづつ上昇させ、９ｋＷに達した後に２４０分間保持することで厚さ約１８μｍのＡｌＣｒＳｉＮ中間層を被覆し、そして最上層を被覆した皮膜構成（基体−ＣｒＮ最下層−ＡｌＣｒＳｉＮ中間層−ＡｌＣｒＳｉＮ最上層−ＤＬＣ層）である。これにより、本発明例８の、炭素皮膜を除いた硬質皮膜の厚さは、合計で約２０μｍとなる。
【００７３】
［従来例９］
上記の円筒状基材に対しては、公知のアークイオンプレーティング法により、厚さ約５μｍのＡｌＣｒＳｉＮ皮膜を被覆した試料である。図２は、従来例９の皮膜表面を示すＳＥＭ写真である。
【００７４】
［従来例１０］
従来例９の被覆試料に対しては、その皮膜の表面に確認される凸部（ドロップレット）を＃１０００、＃１５００のエメリー紙を用いて研摩除去し、さらに、その表面全体をエアロラップにより平滑化した試料である。図３は、従来例１０の皮膜表面を示すＳＥＭ写真である。
【００７５】
［従来例１１］
上記の円筒状基材に対しては、公知の製造方法として、例えば特許文献６に記載された前処理および成膜条件に従った３００Ｗのスパッタリング出力で被覆した、厚さ約５μｍのＡｌＣｒＳｉＮ皮膜を有する試料である。
【００７６】
＜皮膜の組成分析＞
本発明例１〜８および、従来例９〜１１の被覆試料について、その皮膜の組成を電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ；日本電子（株）製ＪＸＡ−８９００Ｒ）を用いて分析した。分析は、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、その研磨面にある最下層、中間層、最上層の各層内では、できるだけ広範囲の平均値となるように、各層の分析領域を選定した。そして分析値は、加速電圧１５ｋＶ、試料電流０．２μＡ、計数時間１０秒とした測定を５回実施し、その平均値とした。分析結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
2010284710.tif 000003
【００７８】
本発明例１および３〜８においては、その中間層は、カソード１と同３、４の２成分のターゲットを同時に作動させて成膜したものである。よって厳密には、この中間層は、カソード１の金属成分からなる窒化物層と、同３（および４）の金属成分からなる窒化物層が、お互いに極薄い層厚で積層された構造となっている。そして、各層の厚さは、その成膜時の基材回転数、スパッタ電力、ガス圧等によって異なるが、本発明例１の場合、その中間層は、厚さが０．００５〜０．０２μｍの範囲のＣｒＮ層と、同０．００５〜０．０７μｍの範囲のＡｌＣｒＳｉＮ層が積み重なった層であった。なお、各層の厚さは、その断面を透過型電子顕微鏡により観察し、実測した。
【００７９】
また、本発明例３については、高周波グロー放電発光分析によって、その深さ方向の組成分析も行った。その結果を図８に示す。最表面（スパッタリング時間０秒）より基材側に向かって、本発明の最上層、中間層、最下層の存在が確認される。そして、中間層は、その表面側に向かっては、Ｃｒ含有量は連続的に減少し、ＡｌとＳｉの含有量が連続的に増加する、最下層と最上層の混合成分でなる傾斜組成構造である。特に、この傾斜組成構造によって層間の密着強度が向上することから、本発明の塑性加工用被覆金型の耐カジリ性は大きく向上する。
【００８０】
＜機械的特性の評価＞
［硬度の評価］
エリオニクス製のナノインデンテーション装置を用いて、皮膜の硬度を測定した。本評価装置は、微小荷重で測定できることから、測定対象に形成される圧痕も微小であり、よって積層構造膜の各層の硬度を測定することができる。そして、各層の硬度を測定するためには、皮膜の最表面に対し試験片を５度傾けた皮膜断面を鏡面研磨後、皮膜の研磨面内で最大押し込み深さが各層厚の略１／１０未満となる領域を選定した。なおこのとき、最大押し込み深さは略１／５程度でも基材からの影響はなかった。
【００８１】
そして、押込み荷重９．８ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．０９８ｍＮ／秒の測定条件で、各層につき１０点測定し、その平均値を求めた。なお、本測定方法による皮膜硬度は、圧子の微細形状、測定時の温度、湿度、試料の表面状態に左右され易く、得られる数値は必ずしもその定量値としての扱いができない点で、ビッカース硬さとは異なる。そこで、一方では単結晶Ｓｉの基準試料を準備して、これの硬度も同時に測定したことで（１５ＧＰａであった）、この測定結果をもとに相対比較することができる。本発明例１、３〜８においては、最下層は薄いことから、中間層と最上層の硬度を測定した。結果を表１に示す。
【００８２】
【表２】
2010284710.tif 000004
【００８３】
本発明例１の最上層と従来例１１は同一組成の皮膜であるが、本発明の製造方法（成膜条件）で被覆した本発明例１は、組織が緻密であることから硬度が高く、スパッタリング法でありながらも、アークイオンプレーティング法と同等以上の硬度が得られている。これは、従来に比しては本発明のスパッタ電力が１桁以上異なる“高出力”であることに加えては、成膜時のプラズマ密度も高かったことから、皮膜の結晶性化が促進されたためと考えられる。
【００８４】
［密着性の評価］
皮膜の密着性（基材と膜、層間）を評価するために、ＣＳＭ社製スクラッチ試験機（ＲＥＶＥＴＥＳＴ）を用い、皮膜の剥離荷重を測定した。測定条件は以下の通りである。
測定荷重          ：０．９〜１２０Ｎ、
荷重スピード      ：９９．２５Ｎ／ｍｉｎ、
スクラッチスピード：１０ｍｍ／ｍｉｎ、
スクラッチ距離    ：１２ｍｍ、
ＡＥ感度          ：５、
圧子              ：ロックウェル、ダイヤモンド、
先端半径          ：２μｍ、
ハードウェア設定  ：Ｆｎコンタクト０．９Ｎ、
Ｆｎスピード      ：５Ｎ／ｓ、
Ｆｎ除去スピード  ：１０Ｎ／ｓ、
アプローチスピード：２％／ｓ
剥離荷重は、皮膜の最表面（炭素皮膜があるものは、その最表面）からスクラッチしたときの、その試験後のスクラッチ痕を光学顕微鏡で観察することで、スクラッチ痕底部の膜が基材から剥がれた時（つまり、スクラッチ痕底部の基材が完全に露出した時）の荷重とした。結果を表３に示す。
【００８５】
【表３】
2010284710.tif 000005
【００８６】
本発明例１〜８は剥離荷重は何れも８０Ｎ以上であり、アークイオンプレーティング法により被覆した皮膜と同等以上の、高い密着強度を示した。なお、公知のスパッタリング法によった従来例１１は、密着強度が極めて低い結果であった。
【００８７】
［表面粗さの評価］
東京精密製ＳＵＲＦＣＯＭ４８０Ａの接触式面粗さ測定器で、皮膜表面のＲａ、Ｒｚを測定した。測定条件は、下記とした。
評価長さ      ：２ｍｍ又は４ｍｍ、
測定速度      ：０．３ｍｍ／ｓ、
カットオフ値  ：０．８ｍｍ、
フィルター種別：ガウシアン、
測定レンジ    ：±４０μｍ、
傾斜補正      ：直線、
カットオフ比  ：３００、
そして、得られたプロファイルからＲａ、Ｒｚを測定した。測定値は、３回測定したときの、その平均値とする（図４、５、６、７は、それぞれ本発明例１、２および、従来例９、１０の皮膜表面のプロファイルの一例である）。
【００８８】
また、皮膜の表面に確認される凹部も測定した。つまり、アークイオンプレーティング法で成膜し、表面を研磨仕上げした従来例１０の皮膜においては、その図７のプロファイルでも確認されるドロップレットの脱落痕跡である。そして、各試料のプロファイルの基準線（平滑な皮膜表面）に対しては、３００ｎｍよりも深い凹部をカウントした結果、例えば図７では２ｍｍの測定長さに対し７個の凹部が存在し、これは約３個／ｍｍの密度である。
【００８９】
さらに、上記にかかっては、皮膜の表面に確認される凸部も観察して、その凹部との面積率の合計を測定した。つまり、凸部においては、倍率１０００倍のＳＥＭ写真を撮影することで、例えばアークイオンプレーティング法で成膜した従来例９の皮膜（図２）では多く確認される、最大径０．５μｍ以上の粒子（ドロップレット）を画像処理して、面積率を算出した。また、凹部においては、同じくＳＥＭ写真を撮影することで、例えば従来例１０の皮膜（図３）では黒く確認される粒子状ドロップレットの脱落または除去痕跡等も測定対象とし、これらの凹部を画像処理し、面積率を算出した。以上の結果を表４にまとめて示す。
【００９０】
【表４】
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【００９１】
本発明例１〜８は、Ｒａで０．０６μｍ以下、Ｒｚで１．０μｍ以下の、平滑な皮膜表面を達成している。一方、アークイオンプレーティング法で成膜した従来例９は、図２に示すように、皮膜表面にはドロップレットが多数存在しており、表面が粗い。また、従来例９の皮膜表面を平滑にすべく、研磨仕上げを施した従来例１０であっても、その皮膜表面には替わってドロップレットの痕跡が見られ、Ｒｚ値の改善には至らない。
【００９２】
［耐酸化性の評価］
各試料を１０００℃の大気中で６時間保持した後に、皮膜表面のＲａ値を、上記に同様の接触式面粗さ計にて測定した。結果を表５に示す。
【００９３】
【表５】
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【００９４】
表面の平滑な本発明例１〜８は、その酸化の起点となる凹凸が少ないことから、耐酸化性に優れる。そして特に、本発明例４、５、７は、酸化による損傷が少なく、上記酸化環境では表層部が変色しているのみで、基材の酸化は全く確認されなかった。これは本発明例４、５、７の硬質皮膜の最上層が、後に示すＸ線回折結果では六方晶（ｈｃｐ）の結晶構造を有していることから、結晶粒径が微細であるためと考えられる。このような硬質皮膜は、１０００℃以上でも優れた耐酸化性を有する。
【００９５】
一方、表面の粗い従来例９および１０は、ドロップレットが多く存在することに合わせては、そのドロップレットが脱落したピンホールからも基材の酸化が確認された。従来例１１は、その皮膜表面が針状の粗い形態であったことから、粒界より酸素が侵入して、酸化が進行した。
【００９６】
［結晶性の評価］
各試料の皮膜にＸ線回折を行い、それらの結晶構造を調べた。使用した設備はリガク社製Ｘ線回折装置であり、管電圧１２０ｋＶ、管電流４０μｍ、Ｘ線源Ｃｕｋα、Ｘ線入射角５度、Ｘ線入射スリット０．４ｍｍ、２θを２０〜９０度の条件で測定した。これらの結果を表６に示す。なお、各層から２種以上の結晶構造の存在が同定された場合は、存在が同定された結晶構造のうち、最大強度を示す結晶構造のみを表６に記載している。本発明例１〜８の皮膜においては、その中間層が硬度と密着性のバランスに優れた立方晶（ｆｃｃ）構造となっていた。
【００９７】
【表６】
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【実施例２】
【００９８】
＜実金型の作製＞
ＳＫＨ５１（硬さ６４ＨＲＣ）製カップ成形用冷間鍛造金型を作製して、本発明の実金型における寿命評価を行った。この金型は、直径３０ｍｍ、高さ２５０ｍｍの寸法で、その先端部にカップ成型のための作業面が加工されている。まず、焼鈍状態にて素材を金型形状に粗加工した。そして、これを真空中１１８０℃の加熱保持より窒素ガス冷却により焼入れ後、５４０〜５８０℃で焼戻して、６４ＨＲＣに調質した。そして、最後に仕上げ加工（磨き＋エアロラップ）を行うことで最終形状に整えた金型の作業面に、実施例１で評価した本発明例１〜８および従来例９〜１１の皮膜を被覆した。
【００９９】
＜耐久性の評価＞
ＪＩＳに規定される機械構造用炭素鋼Ｓ５０Ｃを被加工材として、上記で作製したカップ成形用冷間鍛造金型により、これに冷間鍛造を行った。そして、製品に縦キズが発生したときのショット数で、金型の耐久性を評価した。表７に各金型のショット数を示す。
【０１００】
【表７】
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【０１０１】
従来例の金型に比べて、本発明例の金型は３倍以上の寿命であり、優れた耐久性を有する。特に本発明例１、４、５、７の金型は安定した加工を実現しており、１００００ショットの時点でも縦キズによる不良率が０％であった。そして、１００００ショットに達するまでには製品に数個の不良が発生した本発明例２、３、６、８の金型であっても、１００００ショットまでは十分に継続して使用できる状態であった。
【０１０２】
一方、従来例９の金型は、１００ショットに達する前には縦スジによる製品の不良率が急増し、継続して成形することができなかった。そして、従来例１０の金型も同様、その作業面の凹部を起点としたカジリの発生によって、もはや５００ショット以降継続して使用することができなかった。従来例１１の金型は、その鍛造初期から剥離した皮膜が製品に張り付き、全く使用することができなかった。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、冷間ならびに温熱間における鍛造およびプレス加工といった金属の塑性加工に使用され、耐摩耗性が必要とされる塑性加工用被覆金型について述べたものである。そして、その優れた耐摩耗性、耐酸化性、耐カジリ性、密着性を考慮すると、使用条件によっては、鉄系に限らず、チタニウム、アルミニウム、ならびにそれらの合金の塑性加工にも適用が可能である。また、本発明の塑性加工用被覆金型は、ダイカストおよび鋳造に使用される金型、もしくは鋳抜きピンや、ダイカストの射出機に使用されるピストンリング等の、溶融金属に接して使用される鋳造用部材としても、転用が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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